智能無人駕駛汽車計算機控制系統(tǒng)的研究

王娟娟 裴繼偉

摘要：汽車為我們的生活帶來了便利，同樣也造成了交通擁堵、安全隱患等多重問題。隨著信息化進程加快，大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展，將計算機技術應用在汽車中成為現(xiàn)階段研究的必要趨勢和前沿發(fā)展方向。無人駕駛汽車的出現(xiàn)可以為解決這些問題提供大的幫助。本文就無人駕駛汽車在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行簡要介紹，指出無人駕駛汽車技術發(fā)展存在的問題，并對無人駕駛汽車關鍵技術的研發(fā)提出相應對策。

關鍵詞：無人駕駛;智能避碰;CCD

引言：無人駕駛汽車集自動控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發(fā)展的產(chǎn)物。無人駕駛中的自動避碰技術是車輛行駛安全的重要保障。探測障礙物是實現(xiàn)車輛避碰的前提，方法多種多樣，如超聲波，紅外線，視頻采集等。

Dur等人設計了基于光流法的障礙檢測算法以及避障算法，分析了光流法的應用優(yōu)勢，并通過光流法獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)了障礙物檢測及避障。Seraji等人提出多推理系統(tǒng)決策與多傳感器融合算法，該算法疊加了雷達、激光雷達和CCD相機所獲得的地面信息，根據(jù)傳感器信息做出決策，通過分層融合選擇算法形成最終決策，實現(xiàn)對障礙物的檢測。

1無人駕駛汽車概述

無人駕駛汽車，是智能汽車的一種，也可以稱其為輪式移動機器人，主要依靠車內(nèi)的以計算機系統(tǒng)為主的智能駕駛操作系統(tǒng)進行駕駛。也有學者將其界定為，在沒有駕駛員操作和干預下，依靠車載傳感器、定位系統(tǒng)等互聯(lián)網(wǎng)人工智能技術，實現(xiàn)汽車自主行駛的一種方式。無人駕駛汽車具有以下幾個主要特征：（1）汽車行駛的自主性。無人駕駛汽車的行駛不需要駕駛。員對車輛的行駛過程，如加速、轉(zhuǎn)向、并線等進行實際操作，這是無人駕駛汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的主要特征。無人駕駛汽車通過車載傳感系統(tǒng)，識別車輛具體所在的路況，自主確定行駛線路，控制車速和行駛方向，使車輛能夠正常地在道路上行駛、安全地到達預定目的地并?？吭谥付ㄎ恢谩＃?）駕駛?cè)藛T的不特定性。坐在無人駕駛汽車上，除了啟動汽車和輸入目的地，駕駛?cè)藛T是否掌握基本的駕駛技能并不是無人駕駛汽車運行的前提條件，因為車輛只需要依賴車載智能系統(tǒng)就可以完成各種運行操作。也就是說，即使沒有駕駛技能的人也可以成為無人駕駛汽車的駕駛員，只要在“法律允可的范圍內(nèi)，任何人均可以駕駛”。（3）技術應用的廣泛性。無人駕駛汽車技術在發(fā)展成熟并投入使用后，將會給許多行業(yè)的發(fā)展提質(zhì)增效帶來顛覆性改變。因為它不僅可以使個人的交通出行更加便捷，還可以用于貨物運輸、道路清掃、搶險救災、軍事作戰(zhàn)等。尤其是在長途貨物運輸中，無人駕駛技術可以克服駕駛員的疲勞駕駛等各種身體局限，極大地減少交通事故、提高工作效率。

2 自動避碰硬件設計

近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展給汽車制造工業(yè)帶來了革命性變化的機會。與此同時，汽車智能化技術正逐步得到廣泛應用，這項技術簡化了汽車的駕駛操作并提高了行駛安全性。而其中最典型也是最熱門的未來應用就是無人駕駛汽車。

無人駕駛汽車，是可以通過計算機系統(tǒng)設置進而實現(xiàn)無人駕駛的新型智能化汽車。無人駕駛汽車是人工智能技術、雷達、數(shù)學計算、監(jiān)控設備與北斗導航系統(tǒng)協(xié)作實現(xiàn)的，它受計算機系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)無人駕駛。目前，無人駕駛技術還停留在研發(fā)和實驗中，尚未被批準用作商業(yè)用途和用作私家車。

據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，在意外事故中，以車禍占首位，占意外死亡總數(shù)的50%以上。僅以汽車交通事故為例，全世界因交通事故而死亡的人數(shù)已超過3000萬人，多于世界大戰(zhàn)死亡人數(shù)。基于高科技研究的無人駕駛汽車，無論在其安全性還是可靠性方面，都極具發(fā)展?jié)摿?。因此，無人駕駛汽車的研究與發(fā)展是降低車禍發(fā)生率、保障人民生命安全的重要任務。

2.1 設計理論

無人駕駛智能車避碰設計的核心是遇到障礙時如何避讓和自動尋跡，實現(xiàn)車輛的穩(wěn)定行駛。獲取有效、可靠的路況信息以及實施合理的車輛控制策略，是車輛開發(fā)的關鍵，現(xiàn)有的道路信息獲取方式有光電（激光）傳感器、攝像頭傳感器（CCD）、電磁傳感器等。

通過攝像頭傳感器對道路信息進行檢測，可從外部環(huán)境中提取較多的有效信息，具有良好的前瞻性，并且通過圖像處理與記錄算法的協(xié)助，可為控制策略提供更多有利條件。

控制策略主要包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制，此處采用增量式PID算法并結(jié)合智能車控制的實際情況做了一些變動，將計算結(jié)果賦給控制舵機的PWMDTY，準確的控制舵機的轉(zhuǎn)角。保證車輛對障礙的反應靈敏度及作出相應措施的操縱性。

2.2 總體設計

基于Freescale智能車制作思想，該智能車主要由車輛本體、單片機控制器、驅(qū)動電機、舵機、轉(zhuǎn)速反饋裝置、CCD視頻采集裝置、調(diào)試模塊等組成。主要設計工作有動力裝置參數(shù)確定、轉(zhuǎn)向機構(gòu)設計、前輪定位參數(shù)確定、整車電氣系統(tǒng)參數(shù)確定。

要使智能車模型的綜合性能提高，首先要對底盤各總成元件布置進行合理安排。轉(zhuǎn)向器、電池、攝像頭、電路板和電機是智能車模型上主要的部件，其重量占了智能車整備質(zhì)量的一大半，因此，對轉(zhuǎn)向器、電池、攝像頭、電路板和電機位置的合理安排決定了智能車的重心位置的合理性。

2.3 部件設計

智能車選用飛思卡爾MC9S12XS128微控制器作為控制主件。S12XS 16 位微控制器對一系列成本敏感型汽車車身電子應用進行了優(yōu)化。S12X 產(chǎn)品滿足了用戶對設計靈活性和平臺兼容性的需求，并在一系列汽車電子平臺上實現(xiàn)了可升級性、硬件和軟件可重用性、以及兼容性。

驅(qū)動電機采用直流伺服電機，在此選用的是RS-380SH型號的伺服電機，直流伺服電機具有優(yōu)良的速度控制性能，它輸出較大的轉(zhuǎn)矩，直接拖動負載運行，同時它又受控制信號的直接控制進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

轉(zhuǎn)向舵機是一種位置伺服驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不能超過180度，適用于需要角度不斷變化并保持的控制系統(tǒng)。舵機內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20MS，寬度1.5MS的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號進行比較，判斷出方向和大小，從而生產(chǎn)電機的轉(zhuǎn)動信號。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。

視頻采集裝置采用模擬攝像頭，分辨率為356*292。

軟件設計開發(fā)基于Codewarrior平臺，采用C++編程。

調(diào)試模塊中采用了軟件開發(fā)平臺Codewarrior IDE自帶的Hiwave.exe調(diào)試程序和自行開發(fā)的Labview調(diào)試程序作為主要調(diào)試手段，此外還用數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)碼管顯示等輔助調(diào)試手段。

3突破系統(tǒng)牽引和穩(wěn)定控制技術

傳統(tǒng)防抱死制動系統(tǒng)需要駕駛員實現(xiàn)，在無人駕駛汽車過程中，突破系統(tǒng)牽引和穩(wěn)定控制技術，對汽車行駛過程中出現(xiàn)的突發(fā)情況反應更加靈敏，若無人駕駛汽車發(fā)生輪胎打滑，車輛側(cè)翻等情況時，穩(wěn)定和牽引技術可以監(jiān)測即將發(fā)生的危險，及時鎖住輪胎，防止意外事故的發(fā)生。系統(tǒng)牽引和穩(wěn)定控制技術較為復雜，屬于無人駕駛汽車關鍵技術較難突破的技術，對四個輪胎實行單獨制動和牽引，這種單獨制動可以保證汽車行駛過程中的安全，當汽車行駛不當時，能及時停止，此外，系統(tǒng)牽引和穩(wěn)定控制技術對道路監(jiān)測、路況分析、險情規(guī)劃等其它方面有重要作用。

4 總結(jié)

在無人駕駛汽車漸漸普及后，它將會給我們的生活帶來更多的便利和安全。本文對汽車無人駕駛的主流技術路線、無人駕駛汽車關鍵技術發(fā)展存在的問題、無人駕駛汽車關鍵技術的發(fā)展對策做了初步的介紹。相信通過人們的努力、不斷創(chuàng)新，在未來無人駕駛汽車將會得到不斷完善和普及。在人民的不斷奮斗拼搏下，我國的無人駕駛汽車技術也將不斷趕超世界尖端水平，助力我國的經(jīng)濟社會發(fā)展。

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